単一電子トラップ直視技術の開発とそれを用いた極薄ゲート絶縁膜の劣化機構の解明

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13305005
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 安田 幸夫 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60126951)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 近藤 博基 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50345930) ; 酒井 朗 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20314031) ; 財満 鎭明 名古屋大学, 先端技術共同研究センター, 教授 (70158947)
• Keywords: 電流検出型原子間力顕微鏡 / MOSキャパシタ / ゲートSiO_2膜 / ストレス誘起欠陥 / 絶縁破壊

Research Abstract

電流検出型原子間力顕微鏡(C-AFM)用いたゲート酸化膜劣化機構の解明を進め、以下の研究成果を得た。
1.ストレス印加したMOSキャパシタのゲートSiO_2膜をC-AFM観察すると、局所的なリーク電流スポットが観測されることを昨年度までに既に見出していた。今回、同一領域で繰り返しC-AFM観察した場合、同一箇所においてリーク電流スポットは繰り返し観察されるが、その電流量はC-AFM観察の繰り返しに伴って減衰し、リークスポットの消失も観察された。これは、ストレス誘起欠陥に捕獲された正孔が、C-AFM観察において放出するためと考えられる。スポットリーク電流の減衰の時定数は、28-76msec.と分布しており、正孔を捕獲しているストレス誘起欠陥のエネルギー的、空間的分布を示唆していると考えられる。
2.C-AFM観察の繰り返しによってリークスポットが消失した後、C-AFMプローブを用いて極短時間の電気的ストレスをゲートSiO_2膜に印加したところ、同一箇所にリーク電流スポットが再現した。このとき、リークスポット以外の領域ではリーク電流の増加は見られず、リークスポットでのみ、正孔の再捕獲が起こったものと考えられる。MOSキャパシタに対してストレス印加した場合、リークスポット以外でも正孔が捕獲されるが、リークスポットとそれ以外のバックグランド領域では正孔の捕獲断面積が異なると考えられる。
3.C-AFM観察で観測されるリーク電流値より、リークスポットおよびそれ以外のバックグランド領域に捕獲されている正孔の密度を求めた。リークスポットでは周辺に比べて多くの正孔が捕獲されているが、その面積は高々2%程度である。したがって、MOSキャパシタで観測される、ストレス印加に伴う容量-電圧特性の電圧シフトは、リークスポット以外の領域に捕獲された正孔に起因することが分かった。一方、やや高い測定電圧でC-AFM観察を繰り返すと、リークスポットにおいて優先的に絶縁破壊が起こることがわかった。

Research Products

• [Publications] Y.Watanabe, A.Seko, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda: "Microscopic Analysis of Stress-Induced Leakage Current in Stressed Gate SiO2 Films Using Conductive Atomic Force Microscopy"Japanese Journal of Applied Physics. 43. L144-L147 (2004)